ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----o0o-----

TRẦN TIẾN QUỐC

ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
CHUYÊN NGHÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ NGHÀNH
: 2.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HCM THÁNG 10-2004


Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRẦN TIẾN QUỐC

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 02-09-1972

Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên nghành: Kỹ Thuật Điện

Mã số: 2.02.01

I. TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN VECTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu phương pháp điều khiển vector động cơ không đồng bộ. Lập mô
hình mô phỏng: điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương
pháp định hướng từ thông rotor. Thu thập dữ liệu, xử lý xây dựng các biểu
đồ đồ thị, đánh giá và so sánh khả năng đáp ứng yêu cầu của điều khiển
vector. Nhận xét và kết luận về ứng dụng của điều khiển vector vào thực tế
trong tương lai.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 8-2-2004
IV. NGÀY HÒAN THÀNH NHIỆM VỤ: 15-11-2004
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGHÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGHÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua
Ngày…… tháng …… năm 2004
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

KHOA QUẢN LÝ NGHÀNH



Công trình được thực hiện tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: thầy PHẠM ĐÌNH TRỰC, tiến só

Cán bộ chấm phản biện 1:……………………………………………………………………….

Cán bộ chấm phản biện 2:……………………………………………………………………….

Luận văn thạc só được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Ngày tháng 11 năm 2004


Tôi xin trân trọng gởi đến,
Cán bộ hướng dẫn chính,
Thầy TS. Phạm Đình Trực

Cán bộ phản biện,
Và q thầy cô
Lời cám ơn chân thành nhất vì đãõ tận tình giảng dạy, hỗ trợ và
đóng góp những ý kiến q báu trong suốt quá trình học tập và
thực hiện luận văn.

Tp Hồ Chí Minh 10/2004
Trần Tiến Quốc



Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp tự động hóa,
luôn đòi hỏi sự cải tiến thường xuyên của nhiều loại hệ truyền động khác nhau.
Những yêu cầu cải tiến cốt yếu là:
• Tăng độ tin cậy,
• Giảm khả năng tiêu thụ điện năng,
• Giảm thiểu chi phí bảo dưỡng,
• Tăng độ chính xác
• Và tăng khả năng điều khiển tinh vi.
Những hệ truyền động với động cơ điện một chiều trước đây đang dần dần
được thay thế bởi hệ truyền động với động cơ điện xoay chiều sử dụng điều khiển
vector. Lý do chính của việc sử dụng rộng rãi động cơ điện một chiều trước kia là
khả năng điều khiển độc lập từ thông và moment lực. Và với động cơ điện một
chiều thì kết cấu của hệ truyền động khá đơn giản. Nhưng bù lại là chi phí cao
cho việc mua và bảo trì của động cơ điện một chiều. Chi phí này đặc biệt cao khi
số lựơng máy điện phải dùng nhiều như trong những nhà máy thép, nhà máy sản
xuất vỏ xe.
Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm cho điều khiển vector ngày
càng hấp dẫn và dễ dàng thực hiện. Trong vòng 15 năm kế tiếp, đề tài về điều
khiển định hướng từ thông đã được nghiên cứu rất rộng rãi. Khả năng tối ưu trong
điều khiển quá độ của điều khiển vector là nền móng cho sự phát triển rất rộng
rãi của hệ truyền động xoay chiều (vì giá của động cơ điện xoay chiều, ví dụ như
động cơ không đồng bộ, rẽ hơn rất nhiều so với giá thành của động cơ điện một
chiều). Sự phức tạp hơn nhiều của hệ thống. Điều khiển vector cũng làm cho
nhiều nhà nghiên cứu nổ lực thiết kế các hệ thống điều khiển vector đơn giản hơn
mà vẫn đáp ứng yêu cầu của điều khiển quá độ. Tuy nhiên những bộ điều khiển
đơn giản hơn chỉ có thể áp dụng trong một số trường hợp cụ thể mà thôi, và khả

năng điều khiển trong quá trình quá độ không cao. Tóm lại điều khiển định
hướng từ thông là một sự lựa chọn tốt nhất trong những ứng dụng mà sự điều
khiển độc lập của từ thông và momen lực là bắt buộc để đạt đến sự chính xác cao
nhất trong điều khiển vận tốc hay vị trí.
Do đó trong luận văn tốt nghiệp này đề tài điều khiển vector động cơ
không đồng bộ 3 pha với điều khiển định hướng từ thông rotor (ROTOR
FLUX ORIENTED CONTROL) sẽ được chọn.

Trang 5


Lời nói đầu

Toàn bộ luận văn được biên chế thành 6 chương với các nội dung chính được
tóm tắt dưới đây:
Chương 1: Giới thiệu
1) Tổng quan về điều khiển vector của máy điện không đồng bộ
2) Lịch sử điều khiển vector (điều khiển định hướng từ thông)
Chương 2: Mô hình động cơ không đồng bộ
1) Mô hình toán của động cơ không đồng bộ trong hệ qui chiếu
quay d-q.
2) Mô hình mô phỏng: sử dụng phần mềm matlab mô phỏng động
cơ và chạy mô phỏng khi động cơ chưa có điều khiển.
Chương 3: Lý thuyết điều khiển định hướng
1) Điều khiển định hướng từ thông rotor
2) Điều khiển dòng
3) Ước lượng từ thông rotor.
Chương 4: Phân tích mô phỏng
1) Sử dụng phần mềm matlab mô phỏng hệ thống điều khiển
2) Chạy mô phỏng các trường hợp tổng quát

Chương 5: So sánh và đánh giá kết quả mô phỏng
Chương 6: Nhận xét và đưa ra quan điểm về điều khiển vector ứng dụng
trong thực tế.

Trang 6


Mục lục

MỤC LỤC
Nhiệm vụ luận văn thạc só
Lời cảm ơn
Lời nói đầu
Mục lục
Các ký hiệu sử dụng trong luận văn

Trang
3
4
5
7
9

Chương 1: Giới thiệu
1.1 Tổng quan về điều khiển vector của máy điện KĐB:
1.2 Lịch sử điều khiển vector (điều khiển định hướng từ thông

11
11
15


Chương 2: Mô hình động cơ không đồng bộ
2.1 Mô hình toán của động cơ không đồng bộ
trong hệ qui chiếu quay d-q:
2.1.1 Hệ qui chiếu 3 pha:
2.1.2 Hệ qui chiếu quay d-q:
2.1.3 Hệ qui chiếu α-β cố định:
2.1.4 Định nghóa của vector không gian
2.2 Mô hình mô phỏng:
2.2.1. Xây dựng mô hình:
2.2.2. Kết quả mô phỏng động cơ không đồng bộ

20
20

Chương 3: Lý thuyết điều khiển định hướng
3.1 Điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC):
3.1.1 Các loại điều khiển định hướng từ (điều khiển vector)
3.1.2 Điều khiển vector với định hướng từ thông rotor:
a) Động cơ KĐB 3 pha với bộ điều khiển tiếp dòng.
b) Động cơ KĐB 3 pha với bộ điều khiển tiếp áp
3.2 Điều khiển dòng:
3.2.1 Bộ nghịch lưu
3.2.2 Bộ nghịch lưu áp
3.2.3. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp
3.3 Ước lượng từ thông rotor:
3.3.1 Phương pháp ước lượng từ thông rotor từ dòng hồi tiếp
và từ thông khe hở không khí (PP1):
3.3.2 Phương pháp ước lượng từ thông rotor từ áp
và dòng hồi tiếp (PP1):

3.3.3 Phương pháp ước lượng từ thông rotor từ

Trang 7

20
22
25
26
30
30
32
35
35
35
36
36
40
42
42
42
45
49
49
50
52


Mục lục

dòng hồi tiếp và vận tốc quay của rotor (PP1):

3.3.4 Phương pháp ước lượng từ thông rotor
trong điều khiển gián tiếp (PP2):

53

Chương 4: Phân tích mô phỏng
4.1 Mô tả sơ lược mô phỏng:
4.1.1. Mô phỏng khối điều khiển vận tốc RFOC:
4.1.2. Mô phỏng khối điều khiển dòng INVERTOR:
4.1.3. Mô phỏng khối ước lượng từ thông rotor:
4.1.4. Mô phỏng khối động cơ không đồng bộ:
4.2 Kết quả mô phỏng
4.2.1 Giai đoạn khởi động máy
4.2.2 Động cơ hoạt động có tải
4.2.3 Thay đổi vận tốc động cơ,
động cơ hoạt động ở vùng vận tốc thấp
4.2.4 Đảo chiều quay động cơ:

54
54
56
61
63
65
66
68
74
77

Chương 5: So sánh và đánh giá kết quả mô phỏng

5.1 Giai đoạn mở máy:
5.2 Thay đổi vận tốc, động cơ hoạt động ở vùng vận tốc thấp
5.3 Đảo chiều quay, động cơ hoạt ở vận tốc bằng nữa định mức
sau đó đảo chiều quay
5.4 Mức độ ổn định khi có tải
5.5 Quan sát kết quả mô phỏng tổng quát

83
83
93
95

Chương 6: Kết luận
Tài liệu tham khảo
Lý lịch trích ngang

110
112
113

Trang 8

80

98
106


Các ký hiệu


CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
va, vb, vc

Điện áp các pha stato

ia, ib, ic

Dòng điện các pha stato

ψa, ψb, ψc

Từ thông móc vòng của các pha stato

vA, vB, vC

Điện áp các pha roto

iA, iB, iC

Dòng điện các pha roto

ψA, ψB, ψC

Từ thông móc vòng của các pha roto

v abc v ABC

Ma trận điện áp của các pha stator và rotor

i abc i ABC


Ma trận dòng điện của các pha stator và rotor

ψ abc ψ ABC

Ma trận từ thông của các pha stator và rotor

Rs

Điện trở của các cuộn dây stato

Rr

Điện trở của các cuộn dây roto sau khi đã quy đổi

Ls

Ma trận điện cảm staror

Lr

Ma trận điện cảm rotor

As

Ma trận qui đổi 3 pha stator sang hệ tọa độ dq

Ar

Ma trận qui đổi 3 pha rotor sang hệ tọa độ dq


Ls

Điện cảm pha stator

Lr

Điện cảm pha rotor

Lm

Hổ cảm pha stator-rotor

Lχs

Điện cảm tản stator

Lγr

Điện cảm tản rotor

θ

Góc giữa trục từ cuộn pha stator với trục từ cuộn pha rotor

θr

Góc giữa trục d hệ dq và trục từ pha a của rotor

θs


Góc giữa trục d hệ dq và trục từ pha a của stator

ωa

Vận tốc quay của hệ trục dq

ω

Vận tốc quay rotor

Trang 9


Các ký hiệu

Te

Moment động cơ

TL

Moment tải

P

Số đôi cực

J


Moment quán tính

vds ids ψds

Điện áp, dòng điện, từ thông stator trên trục d thuộc hệ dq

vqs iqs ψqs

Điện áp, dòng điện, từ thông stator trên trục q thuộc hệ dq

vdr idr ψdr

Điện áp, dòng điện, từ thông rotor trên trục d thuộc hệ dq

vqr iqr ψqr

Điện áp, dòng điện, từ thông rotor trên trục q thuộc hệ quay dq

vαs iαs ψαs

Điện áp, dòng điện, từ thông stator trên trục α thuộc hệ cố định αβ

vβs iβs ψβs

Điện áp, dòng điện, từ thông stator trên trục β thuộc hệ cố định αβ

vαr iαr ψαr

Điện áp, dòng điện, từ thông rotor trên trục α thuộc hệ cố định αβ


vβr iβr ψβr

Điện áp, dòng điện, từ thông rotor trên trục β thuộc hệ cố định αβ

s

s

Ma trận dòng và áp stator trong hệ tọa độ quay dq

r

r

Ma trận dòng và áp rotor trong hệ tọa ñoä quay dq

i dq 0 v dq 0
i dq 0 v dq 0
s
ψ dq0
ψ rdq0

Ma trận từ thông stator và rotor trong hệ tọa độ quay dq

vs is

Vector không gian của dòng và áp stator trong hệ cố định αβ

ψ ss ψ rs


Vector không gian của từ thông rotor và stator trong hệ cố định αβ

vs is

Vector không gian của dòng và áp stator trong hệ quay dq

vr ir

Vector không gian của dòng và áp rotor trong hệ quay dq

ψs ψr

Vector không gian của từ thông rotor và stator trong hệ quay dq

ϕs ϕr

Góc giữa vector từ thông stator và rotor với trục từ pha a stator

s

s

Trang 10


Chương 1

Chương 1: GIỚI THIỆU
1.1 Tổng quan về điều khiển vector của máy điện KĐB:
Đối với máy điện xoay chiều, những hệ thống điều khiển vận tốc đã được đề

cập không có khả năng tạo được sự điều khiển độc lập giữa từ thông và moment
lực như trong điều khiển của động cơ một chiều. Do đó cả từ thông lẫn moment
lực trong động cơ điện xoay chiều đều không thể điều khiển độc lập được. Tất cả
các loại điều khiển vận tốc trước đây, hay còn gọi là điều khiển scalar (ví dụ như
điều khiển U/f không đổi, điều khiển hệ số trượt ở rotor, điều khiển biến áp), chỉ
có khả năng chính xác ở trạng thái ổn định vì phụ thuộc vào giá trị RMS của dòng
hay điện áp, trong khi giá trị tức thời của moment lực và từ thông phụ thuộc vào
giá trị tức thời của dòng. Do đó giá trị moment lực của máy và giá trị áp đặt của
moment lực chỉ bằng nhau trong trạng thái ổn định mà thôi, quá trình quá độ của
từ cũng như moment lực là hoàn toàn không thể điều khiển được, phản ứng của
máy chậm, phụ thuộc vào biến đổi động bên trong của máy.
Ýù tưởng về “định hướng từ” hay còn gọi là điều khiển vector được phát
minh nhằm biến đổi một máy điện xoay chiều (động cơ đồng bộ cũng như không
đồng bộ) thành một “máy điện một chiều”, trên phương diện điều khiển (tức biến
điều khiển của máy xoay chiều thành giống như máy một chiều). Điều đó cũng
có nghóa là điều khiển vector cho phép điều khiển từ thông và moment lực hoàn
độc lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng (chứ không phải
RMS).
Điều khiển vector cho phép tạo ra những phản ứng cực nhanh và chính xác
của cả từ thông lẫn moment lực trong quá trình quá độ, tương đương như những
phản ứng đạt được ở máy điện một chiều. Tuy nhiên cấu trúc của hệ thống điều
khiển trong điều khiển vector phức tạp hơn nhiều, do bản chất xoay chiều của tất
cả các biến số bên trong hệ phương trình động của máy. Chính vì bản chất phức
tạp hơn nhiều về mặt cấu trúc máy của động cơ điện xoay chiều so với máy điện
một chiều, ứng dụng của điều khiển vector chỉ có thể đưa vào thực tế với sự phát
triển cuả kỹ thuật vi điều khiển, cụ thể là những bộ vi xử lý (microprocessors) với
tốc độ nhanh và giá thành rẻ. Điều khiển định hướng từ đã được sử dụng rộng rãi
nhiều năm qua trong nhiều loại hệ truyền động của động cơ đồng bộ và động cơ
không đồng bộ. Hai loại động cơ điện xoay chiều mà điều khiển vector được ứng
dụng rộng rãi nhất là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc và động bộ nam

châm vónh cửu.

Trang 11


Chương 1

Điều khiển vector đã trở thành phương pháp điều khiển thông dụng suốt 20
năm qua. Hiện nay điều khiển vector được sự đồng lòng của nhiều nhà sản xuất
và trên thị trường có nhiều sản phẩm sử dụng nguyên lý này. Điều khiển vector
làm cho máy điện không đồng bộ được sử dụng như ứng dụng của máy điện một
chiều đã ứng dụng trong quá khứ. Ưu điểm của máy điện không đồng bộ so với
máy điện một chiều là chi phí giá thành và bảo dưỡng thấp, độ tin cậy khi sử
dụng trong môi trường khắc nghiệt tốt hơn, hiệu quả hơn, đơn giản hơn, chắc
chắn hơn, không có chổi than,… tuy nhiên phương pháp điều khiển vector đòi hỏi
phần cứng và phần mềm tinh vi hơn hệ thống điều khiển máy điện một chiều.
Nguyên lý điều khiển vector sử dụng sự biến đổi hệ tọa độ pha sang hệ tọa
độ quay giả định và vuông góc. Tập hợp các công thức vi phân mới trong hệ tọa
độ mới không chứa độ tự cảm thay đổi theo thời gian và sự điều khiển độc lập
của moment và từ thông có thể đạt được bằng cách lựa chọn thích hợp tốc độ góc
quay của hệ toạ độ. Moment và từ thông của máy có thể điều khiển độc lập với
hai dòng lệnh khác nhau, điều đó tương tự như điều khiển moment và từ thông
của máy điện một chiều đã được sử dụng. Nói một cách đơn giản, điều khiển
vector có thể được định nghóa là tập hợp các thuật toán điều khiển có thể chuyển
đổi máy điện xoay chiều tương tự như máy điện một chiều về quan điểm điều
khiển. Ýù nghóa của việc điều khiển moment và từ thông trong hệ tọa độ quay là
thành phần dòng stator ở trục q và trục d. Có 3 khả năng điều khiển vector đối
với máy điện không đồng bộ:
1. Điều khiển định hướng từ thông rotor, với hệ tọa quay gắn với vector
không gian từ thông rotor;

2. Điều khiển định hướng từ thông stator, với hệ tọa quay gắn với vector
không gian từ thông stator;
3. Điều khiển định hướng từ thông khe hở không khí, với vector không gian
từ thông khe hở không khí trùng với trục d của hệ tọa độ quay;
Điều khiển định hướng từ thông rotor được sử dụng nhiền nhất trong số cả
ba loại trên bởi vì cấu hình bộ điều khiển ít phức tạp nhất. Điều khiển định hướng
từ thông rotor có thể đạt được khi sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp và
gián tiếp để đạt được sự định hướng. Một trong những phương pháp trực tiếp, cảm
biến từ thông được sử dụng để đo thành phần từ thông khe hở không khí. Khi đó
chúng có thể được dùng chung để đo các đại lượng điện từ khác như dòng pha, để
tính toán độ lớn và vị trí từ thông rotor. Thông tin tức thời đối với vị trí vector từ
thông rotor được yêu cầu phải chuyển đổi hệ tọa độ, từ đó hệ thống điều khiển

Trang 12


Chương 1

hoạt động trong hệ toạ độ quay d-q giả định, trong khi máy được cung cấp dòng 3
pha tiêu biểu trong hệ tọa độ đứng yên. Thông tin đối với độ lớn từ thông rotor có
thể được sử dụng để đánh giá moment lực. Bằng cách tạo ra mạch kín điều khiển
từ thông và moment rotor cần tạo ra thành phần dòng stator ở trục d-q. kế hoạch
này làm giảm bớt độ nhạy điều khiển các thông số ảnh hưởng đến máy. Tuy
nhiên do giá thành cao và không có tính bền vững của thiết bị này, trong điều
kiện không thuận lợi kế hoạch này được bãi bỏ. Phương pháp định hướng từ trực
tiếp khác được sử dụng là đo dòng stator và đo hoặc xây dựng lại điện áp stator
trong quá trình ước lượng độ lớn và vị trí từ thông rotor. Kế hoạch là độ nhạy các
biến là điện trở stator và tổng quát là không thích hợp ở tốc độ thấp và bằng
không, bởi vì vấn đề tích phân xảy ra xung quanh tần số zero. Trong phương
pháp gián tiếp, tốc độ vị trí bộ biến đổi được dùng để đo tốc độ vị trí rotor, và khi

đó được sử dụng để xác định vị trí từ thông rotor cùng với thành phần dòng stator
ở trục d-q. kế hoạch này cho kết quả tốt hơn ở tốc độ thấp nhưng độ nhạy của hệ
thống điều khiển đối với các thông số biến đổi là tăng dần.
Bất chấp phương pháp định hướng từ trực tiếp hay gián tiếp có được ứng
dụng hay không, hệ thống điều khiển phát sinh ra dòng lệnh stator và điều khiển
dòng được yêu cầu. Điều khiển dòng có thể được quan tâm trong hệ tọa độ đứng
yên (các máy tiếp dòng) hoặc trong toạ độ quay (các máy tiếp áp). Trong các
trường hợp sau này hai hệ tọa độ chuyển đổi (để đo dòng stator và nhiều lệnh như
là tham khảo điện áp pha) là cần thiết.
Khái niệm điều khiển định hướng từ thông rotor có thể mở rộng sang điều
khiển định hướng từ thông stator. Có nhiều điểm giống nhau giữa hai phương
pháp và điều khiển định hướng từ thông stator có thể đạt kết quả tốt sự tách biệt
điều khiển moment và từ thông. Từ thông và moment cũng được điều khiển độc
lập sử dụng thành phần dòng stator ở trục d-q. Tuy nhiên điểm khác nhau chủ yếu
của điều khiển vector giữa điều khiển định hướng từ thông rotor và điều khiển
định hướng từ thông stator, là điều khiển định hướng từ thông stator đòi hỏi thêm
sự tách biệt dòng. Với cấu hình đơn giản hơn (không có sự tách biệt dòng trong
trường hợp máy đựơc tiếp dòng) đã làm cho điều khiển định hướng từ thông rotor
trở thành tiêu điểm nghiên cứu trong thời gian dài. Gần đây sự phát triển tốc độ
cao và chi phí thấp của các mạch vi xử lý đã dẫn đến việc thực hiện điều khiển
định hướng từ thông stator là có thể, và điều khiển định hướng từ thông stator
(của máy điện không đồng bộ tiếp dòng) đã được nghiên cứu chi tiết và thực hiện
thành công. Tuy nhiên cho đến nay điều khiển định hướng từ thông stator chưa
thể thay thế được điều khiển định hướng từ thông rotor. Sự gia tăng độ phức tạp

Trang 13


Chương 1


của hệ thống điều khiển được bù lại một vài thuận lợi, như dễ dàng xác định hệ
tọa độ vuông góc của vector từ thông và giảm sự phụ thuộc của hệ thống điều
khiển đối với việc xác định chính xác các thông số máy. Khi tăng thêm độ phức
tạp, có một vài giới hạn liên quan đến giá trị moment đạt được, điều đó không có
ở điều khiển định hướng từ thông rotor.
Phương thức điều khiển định hướng từ thông khe hở không khí cũng yêu cầu
gia tăng sự tách biệt dòng. Tuy nhiên khi cảm biến từ thông được sử dụng để đo
từ thông khe hở không khí là một trong các phương pháp điều khiển trực tiếp,
phương thức này có lẽ thuận lợi. Một vấn đề nữa là về mặt sản xuất thương mại
điều khiển từ thông khe hở không khí không có sẵn trên thị trường.
Tổng quát, đặc trưng chính của điều khiển vector là điều khiển độc lập và
gián tiếp moment và từ thông bằng các thành phần dòng stator trong hệ tọa độ
quay. Đặc trưng điều khiển này là thuận lợi của điều khiển vector, cùng với giá
thành thấp, độ bền và hiệu quả của máy điện xoay chiều, tạo ra ứng dụng thực
tiễn trong nhiều lónh vực mà chỉ có máy điện một chiều được sử dụng. Tuy nhiên
để đạt được phải sử dụng hệ tọa độ chuyển đổi và mạch điều khiển dòng, tạo ra
hệ thống điều khiển vô cùng phức tạp. Các đặc trưng chính và điều thiếu sót của
điều khiển vector có thể được tổng kết như sau:
1. So với các bộ điều khiển khác, cần phải có thêm bộ điều khiển dòng
(trong hệ tọa độ đứng yên hoặc quay)
2. Ít nhất là một hệ tọa độ (hoặc hai, nếu điều khiển dòng ở hệ quay) được
thực hiện ON-LINE, trong thời gian thực.
3. Bộ điều khiển inverter phải có khối PWM riêng biệt (ngoại trừ khi sử
dụng điều khiển dòng từ trễ).
4. Yêu cầu phải tách rời dòng, chỉ trừ điều khiển định hướng từ thông rotor
với điều khiển dòng sử dụng trong hệ tọa độ đứng yên.
5. Xác định chính xác vị trí tức thời của vector không gian từ thông được
chọn là cần thiết.
6. Phụ thuộc việc chọn lựa cấu hình bộ điều khiển, việc xác định từ thông và
có thể được hoặc không được yêu cầu.

7. Hầu hết các phương pháp để đạt được định hướng từ, thông tin liên quan
đến tốc độ hoặc vị trí rotor được yêu cầu để tính toán góc định hướng.
8. Tất cả các phương thức đều có phạm vi giả định bởi các biến của các
thông số máy điện không đồng bộ.

Trang 14


Chương 1

Một vấn đề đã thu hút nhiều sự quan tâm suốt thập niên qua là khả năng xác
định tốc độ và vị trí rotor hơn việc đo chúng. Theo như đã chú ý, thông tin liên
quan đến tốc độ động cơ được yêu cầu không chỉ để điều khiển tốc độ mạch kín,
nhưng trong nhiều trường hợp cho mục đích định hướng. Việc sử dụng cảm biến
tốc độ làm giảm độ tin cậy của hệ truyền động và gia tăng chi phí. Gần đây nhiều
phương thức xác định tốc độ được đề nghị với ý tưởng không dùng cản biến tốc
độ. Điều khiển không có cảm biến tốc độ, thông thường yêu cầu tăng thêm phức
tạp cấu hình phần cứng và các thuật toán điều khiển. Giải pháp lựa chọn về vấn
đề xác định tốc độ vẫn chưa khả quan và không chắc có thực.
1.2 Lịch sử điều khiển vector (điều khiển định hướng từ thông – field
oriented control):
Sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp tự động luôn đòi hỏi sự
cải tiến thường xuyên của nhiều loại hệ truyền động khác nhau. Những yêu cầu
cải tiến cốt yếu là: tăng độ tin cậy, giảm khả năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu
chi phí bảo dưỡng, tăng độ chính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp.
Khoảng 50% năng lượng được tiêu thụ ở các nước phát triển được chuyển thành
năng lượng cơ thông qua các hệ truyền động và 20% hệ truyền động là hệ truyền
động biến đổi vận tốc. Những hệ truyền động với động cơ điện một chiều trước
đây đang dần dần được thay thế bởi hệ truyền động với động cơ điện xoay chiều
sử dụng điều khiển vector. Lý do chính của việc sử dụng rộng rãi động cơ điện

một chiều trước kia là khả năng điều khiển độc lập từ thông và moment lực. Và
với động cơ điện một chiều thì kết cấu của hệ truyền động khá đơn giản. Nhưng
bù lại là chi phí cao cho việc mua và bảo trì của động cơ điện một chiều. Chi phí
này đặc biệt cao khi số lượng máy điện phải dùng lớn (như trong nhà máy thép,
nhà máy sản xuất vỏ xe).
Những nguyên lý cơ bản của điều khiển định hướng từ chứng tỏ rằng hoàn
toàn có thể tách biệt sự điều khiển từ và moment lực trong máy điện xoay chiều.
Những yếu tố cơ bản đó đòi hỏi giá trị tức thời của mô-đun và vị trí của vector
không gian của dòng điện trong stator, so với vector không gian của từ thông mà
nó được chọn để định hướng, phải được điều khiển chặt chẽ. Do đó nó được gọi là
điều khiển vector hay điều khiển định hướng từ. Khái niệm vector không gian sẽ
được trình bày thêm sau.
Trước hết điều khiển vector được thảo luận sẽ là điều khiển vector theo định
hướng từ thông của rotor. Những ứng dụng thực tế của lý thuyết này được thực

Trang 15


Chương 1

hiện vào những năm 70 với các mạch điều khiển liên tục. Tuy nhiên lý thuyết
điều khiển vector đòi hỏi sự chuyển đổi tức thời của hệ qui chiếu quay. Điều này
yêu cầu một khối lượng tính toán lớn trong một khoảng thời gian ngắn. Các mạch
điều khiển liên tục không thể đáp ứng đòi hỏi này một cách hoàn hảo. Do đó lý
thuyết này không được ứng dụng rộng rãi lắm cho đến đầu những năm 80 với sự
xuất hiện của mạch điều khiển số.
Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm cho điều khiển vector ngày
càng hấp dẫn và dễ thực hiện. Trong vòng 15 năm kế tiếp, đề tài về điều khiển
định hướng từ đã được nghiên cứu rất rộng rãi. Khả năng tối ưu trong điều khiển
quá độ của điều khiển vector là nền móng cho sự phát triển rất rộng rãi của hệ

truyền động xoay chiều (vì giá thành của động cơ điện xoay chiều, ví dụ như
động cơ không đồng bộ, rẻ hơn rất nhiều so với giá thành của động cơ điện một
chiều). Sự phức tạp hơn nhiều của hệ thống điều khiển vector cũng làm cho nhiều
nhà nghiên cứu nổ lực thiết kế các hệ thống điều khiển vector đơn giản hơn mà
vẫn đáp ứng được yêu cầu của điều khiển quá độ. Tuy nhiên những bộ điều khiển
đơn giản hơn chỉ có thể áp dụng trong một số trường hợp cụ thể mà thôi, khi mà
yêu câu điều khiển trong quá trình quá độ không cao. Tóm lại điều khiển định
hướng từ là một sự lựa chọn tốt nhất trong những ứng dụng mà sự điều khiển độc
lập của từ thông và moment lực là bắt buộc để đạt đến sự chính xác cao nhất
trong điều khiển vận tốc hay vị trí.
ng dụng của điều khiển định hướng từ trong công nghiệp rất rộng, ví dụ
như trong thiết bị máy: như máy khoan, máy nghiền, cần cẩu. Động cơ không
đồng bộ thường được dùng trong những ứng dụng này, ví dụ như động cơ không
đồng bộ với vận tốc định mức 1500 vòng/phút thường được dùng trong vùng từ
yếu để có thể đạt đến vận tốc 4500 vòng/phút hay 6000 vòng/phút (vùng từ yếu
là vùng mà động cơ hoạt động trên vận tốc định mức). Hàng loạt thiết bị máy sử
dụng điều khiển định hướng từ và kỹ thuật số đã được Bosch tung ra thị trường và
có khả năng đạt đến vận tốc 10000 vòng/phút. Đây cũng là một lợi thế của động
cơ không đồng bộ với điều khiển vector so với động cơ đồng bộ nam châm vónh
cửu với điều khiển vector. Trong những ứng dụng của thiết bị máy, vì động cơ
không đồng bộ có thể hoạt động ở vận tốc cao hơn nhiều co với vận tốc định mức.
Lợi thế này cũng được tận dụng trong điều khiển vị trí.
Ứng dụng của điều khiển vector cũng được dùng rộng rãi với động cơ có
công suất cao. Những ứng dụng thực tế này được thực hiện lần đầu ở Nhật vào
những năm 70. Một dây chuyền tự động của xưởng sản xuất giấy đã được lắp đặt

Trang 16


Chương 1


với 5 động cơ đồng bộ công suất cao (340-500 kw) vào năm 1979, dùng hoàn
toàn điều khiển vector. Hàng loạt động cơ không đồng bộ có công suất từ 100300 kw dùng điều khiển vector đã được lắp đặt trong những năm 80 trong ngành
công nghiệp thép. Mỗi dây chuyền tự động trong công nghiệp thép thường có đến
40 động cơ không đồng bộ với điều khiển vector và có công suất từ 5.5-11 kw.
Những nghiên cứu trong lónh vực điều khiển định hướng từ, do sự phức tạp
của hệ thống điều khiển, nên thường liên quan đến những lónh vực nghiên cứu
khác như thiết kế VLSI, bộ biến đổi điện tử công suất, lý thuyết điều khiển hiện
đại, ảnh hưởng của biến đổi tham số, các định tham số của hệ. Những hệ thống
trong trong phòng thí nghiệm thường sử dụng một chip cho nhiều chức năng điều
khiển, hay dùng những mạch tích hợp cho mục đích sử dụng cụ thể. Hiện nay
những kết cấu của các bộ biến đổi điện tử công suất có khuynh hướng sử dụng
những công tắc bán dẫn với khả năng dẫn dòng hai chiều và chắn áp hai chiều
đang ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn, vì giá thành của các công tắc bán dẫn
ngày càng hạ. Một số bộ biến đổi dùng trong phòng thí nghiệm cũng sử dụng kết
hợp công tắc bán dẫn hai chiều và công tắc bán dẫn một chiều. Một khi công tắc
bán dẫn hai chiều vẫn chưa được sử dụng rộng rãi, bộ biến đổi với cộng hưởng
kết nối DC vẫn là giải pháp phổ biến.
Sự phát triển của những bộ vi xử lý tốc độ nhanh, giá thành hạ và những bộ
xử lý tín hiệu cho phép thực hiện trên thực tế những giải thuật điều khiển phức
tạp hơn trong bộ truyền động vector. Những phương pháp khác nhau dựa trên lý
thuyết điều khiển hiện đại đang được đề xuất với mục đích tối thượng là nâng cao
khả năng hoạt động chính xác của bộ truyền động. Trong số những phương pháp
được đề xuất, những phương pháp quan trọng nhất (do có tính khả thi cao và khả
năng điều khiển mạnh) là những ứng dụng của bộ quan sát trạng thái, hệ điều
khiển thích ứng mô hình tham khảo, và hệ điều khiển trạng thái không gian. Sự
cần thiết của việc ứng dụng những lý thuyết điều khiển hiện đại vào hệ truyền
động xuất phát từ bản chất phức tạp của cấu trúc máy điện xoay chiều với nhiều
tham số thay đổi. Sự điều khiển độc lập lý tưởng của từ thông và moment lực của
máy điện xoay chiều chỉ có thể đạt được với điều khiển định hướng từ tiêu chuẩn

chỉ khi các tham số được biết chính xác và không đổi trong quá trình hoạt động
của máy. Trên thực tế điều này khó có thể xảy ra. Giá trị của tham số phụ thuộc
vào trạng thái hoạt động của máy. Sự khác biệt giữa giá trị của tham số trong
thiết kế của hệ thống điều khiển và giá trị thực của tham số khi máy đang hoạt
động làm giảm chất lượng điều khiển của máy. Từ thông và moment lực hoàn

Trang 17


Chương 1

toàn không tách biệt trong quá trình điều khiển. Khả năng chính xác trong điều
khiển quá độ giảm đáng kể.
Khả năng đền bù tự động những sự khác biệt của tham số, khả năng xác
định tức khắc các giá trị của tham số trong quá trình hoạt động của hệ truyền
động đang là những đề tài được nghiên cứu rộng rãi.
Ngoài những phát triển trên trong điều khiển vector, một điều đáng lưu ý
nữa là sự ứng dụng “trí thông minh nhân tạo” như mạng nơron và logic mờ vào
điều khiển vector đang là những đề tài mới trong nghiên cứu về hệ truyền động.
Những cải tiến vượt bực trong hệ truyền động của máy xoay chiều trong một
tương lai gần có được là nhờ vào sự ứng dụng hai kỹ thuật điều khiển mới này.
Hiện nay Hitachi đã tung ra thị trường hệ truyền động điều khiển vector của động
cơ không đồng bộ với kỹ thuật điều khiển ligic mờ như là một sự lựa chọn. Triễn
vọng ứng dụng rộng rãi của hai kỹ thuật này phụ thuộc vào một yếu tố chính, đó
là sự phát triển (hay nói một cách khác là sự giảm giá) của các bộ vi xử lý bán
dẫn.
* Sơ lược điều khiển DTC (điều khiển trực tiếp moment lực – direct
torque control):
Sự phát triển của bộ biến đổi điện tử công suất đã dẫn đến một lý thuyết
điều khiển máy điện xoay chiều mới hoàn toàn khác hẳn điều khiển vector. Lý

thuyết này được đưa ra lần đầu vào cuối những năm 80 do giáo sư người Nhật
Noguchi Takahashi, tại trường đại học Tokyo. Lý thuyết mới này được gọi là điều
khiển trực tiếp moment lực (direct torque control, hay thường được viết tắt là
DTC). Điều khiển trực tiếp moment lực tạo ra những phản ứng cực nhanh và
chính xác của moment lực trong quá trình quá độ. Từ thông của cuộn stator được
chọn để điều khiển trực tiếp. Khối lượng tính toán của các bộ vi xử lý được giảm
đáng kể so với điều khiển vector. Lý thuyết này đã được nghiên cứu rất nhiều
trong những năm 90 và đầu thế kỷ 21. Điều khiển trực tiếp moment lực vận dụng
những đặc tính không tuyến tính của bộ biến đổi điện tử công suất để đạt được sự
điều khiển trực tiếp của moment lực và từ thông. ABB hiện đã tung ra thị trường
hệ truyền động xử lý kỹ thuật điều khiển moment lực trực tiếp đầu tiên trên thế
giới, những hệ truyền động này được gọi chung là “gia đình” ACS 600 cho các
máy điện công suất vừa và nhỏ (dưới 50 kw), và “gia đình” ACS 6000 cho các
máy điện công suất lớn.

Trang 18


Chương 1

Tuy nhiên kỹ thuật điều khiển moment lực trực tiếp cũng không phải là
hoàn hảo. Cái giá phải trả cho khả năng điều khiển trực tiếp của moment lực và
từ thông là sự điều khiển gián tiếp của dòng trong cuộn stator (điều này thì ngược
hẳn so với điều khiển vector). Do đó hệ điều khiển ACS 600 và ACS 6000 của
ABB có điểm yếu là phản ứng chậm hơn điều khiển vector trong lần đầu khởi
động máy.

Trang 19



Chương 2

Chương 2: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
2.1 Mô hình toán của động cơ không đồng bộ trong hệ qui chiếu quay d-q:
2.1.1 Hệ qui chiếu 3 pha:
Vì mục đích của điều khiển định hướng từ là điều khiển tức thời của máy
điện xoay chiều, mà cụ thể là từ thông và moment lực. Do đó máy điện xoay
chiều không thể được diễn tả bằng đoạn mạch tương đương với các đại lượng ở
dạng pha (hay còn gọi là vector pha). Thay vào đó mô hình tóan của máy điện
trong miền thời gian, hệ qui chiếu 3 pha được sử dụng như khởi điểm, sau đó
chuyển sang hệ qui chiếu quay. Các biến số được biểu diễn dưới dạng vector
không gian, không còn ở dạng pha nữa (các đại lượng pha chỉ có giá trị khi tầng
số của nguồn thay đổi và nguồn có dạng hình sin hoàn hảo). Do đó để đạt được sự
điều khiển độc lập của từ thông và moment lực trong máy điện xoay chiều đòi
hỏi nhiều tính toán hơn so với máy điện một chiều.
Quá trình mô hình hóa toán học của máy điện xoay chiều cũng phụ thuộc
vào một số giả sử về điều kiện lý tưởng. Cụ thể là các vòng quấn stator ở các pha
được giả định là hoàn toàn giống nhau và đặt cách nhau một cách chính xác 120
độ. Sức điện động của một vòng quấn thì được phân bố theo hình sin dọc theo
khe hở không khí. Khe hở không khí cũng được giả sử không đổi và đồng nhất.
Các vòng quấn của lồng rotor có thể được giả sử như những vòng quấn 3 pha cân
bằng. Điện trở của vòng quấn và điện cảm tản được giả sử là không đổi. Dòng
điện xoáy và tổn hao sắt được bỏ qua. Độ từ hóa được coi là tuyến tính, bảo hòa
từ đươc bỏ qua.
Phương trình cân bằng áp của động cơ không đồng bộ trong miền thời gian
và hệ qui chiếu 3 pha được trình bày bên dưới với các biến số là giá trị tức thời:
v abc = Rs i abc + dψ abc / dt

v ABC = Rr i ABC + dψ ABC / dt


(2.1)

ψ abc = L s i ABC + L sr i ABC

ψ ABC = L s i ABC + L tsr i abc

(2.2)

Những ký hiệu được gạch dưới là các ma trận của các biến số và tham số.
Những ký hiệu viết hoa đại diện đại diện cho các biến số của rotor, các ký hiệu
viết thường đại diện cho các biến số của stator.
v abc , v ABC : vector điện áp 3 pha stator, rotor.
iabc , i ABC : vector doøng 3 pha stator, rotor.

Trang 20


Chương 2

ψ abc ,ψ ABC : vector từ thông 3 pha stator, rotor
L s : ma trận điện cảm stator.
R s : ma trận điện trở stator.
L r : ma trận điện cảm rotor.

R r : ma trận điện trở rotor.
L sr : ma trận hổ cảm stator rotor.

Những ma trận của các biến số và tham số được minh hoạ dưới đây:
v abc = [v a vb vc ]


t

i abc = [ia ib ic ]

t

(2.3a)

v ABC = [v A v B vC ]

t

i ABC = [i A i B iC ]

t

cosθ
cos(θ + 2π / 3) cos(θ − 2π / 3)⎞
⎛
⎟
⎜
cosθ
cos(θ + 2π / 3)⎟
L sr = LaA ⎜ cos(θ − 2π / 3)
⎟
⎜ cos(θ + 2π / 3) cos(θ − 2π / 3)
cosθ
⎠
⎝
⎛ Laa Lab Lac ⎞

⎛ L AA L AB L AC ⎞
⎜
⎟
⎜
⎟
L s = ⎜ Lba Lbb Lbc ⎟
L r = ⎜ LBA LBB LBC ⎟
⎜L
⎟
⎜L
⎟
⎝ ca Lcb Lcc ⎠
⎝ CA LCB LCC ⎠

(2.3b)

(2.3c)

Ký hiệu θ ở trên biểu thị vị trí tức thời của trục từ của cuộn pha a ở rotor so
với trục từ cố định của cuộn pha a ở stator, và liên hệ với vận tốc quay điện của
rotor như sau:
θ = ∫ ωdt
(2.3d)
Phương trình cơ của động cơ như sau:
1 dω
Te − TL =

P

J


dt

(2.4)

Te : moment điện từ trong máy
TL : moment tải

J : moment quán tính
P : số đôi cực trong máy
ω : vận tốc quay của rotor
Công suất cơ của động cơ của máy điện không đồng bộ được xem như dương
nếu như máy hoạt động như động cơ, và sẽ là âm nếu như máy hoạt động như
máy phát. Moment lực có thể được tính toán dựa trên các giá trị tức thời của dòng
trong máy như sau:

Trang 21


Chương 2

⎡sin θ (i a i A + ib i B + ic iC ) + sin (θ − 2π / 3)(i a iC + ib i A + ic i B )⎤
Te = − LaA ⎢
⎥
+ sin (θ + 2π / 3)(i a i B + ib iC + ic i A )
⎣
⎦

(2.5)


Phương trình (2.5) của moment lực trong máy điện xoay chiều rõ ràng là
phức tạp hơn nhiều so với phương trình của moment lực trong máy điện một
chiều. Moment lực trong máy điện xoay chiều phụ thuộc vào giá trị của dòng
trong mỗi pha của cả hai cuộn stator và rotor. Vì đây là máy xoay chiều nên dòng
trong cuộn rotor là dòng cảm ứng, không hoàn toàn độc lập với dòng trong cuộn
stator. Do đó từ thông trong cuộn stator (tương đương với cuộn kích từ của máy
điện 1 chiều kích từ riêng biệt) và dòng trong cuộn rotor (tương đương với dòng
trong cuộn phần ứng) phụ thuộc lẫn nhau, không như trong máy điện một chiều
kích từ riêng biệt.
Hình 2.1 trình bày sơ đồ biểu diễn máy điện không đồng bộ ba pha trong
miền pha (các đại lượng như moment lực, từ thông được tính trên các giá trị của
các đại lượng trong từng pha một của cả 2 cuộn stator và rotor). Mô hình toán của
động cơ không đồng bộ 3 pha như trình bày trong phương trình (2.1) đến (2.5) rất
không thuận lợi cho việc phân tích của máy. Tham số trong các phương trình như
hổ cảm giữa cuộn stator và cuộn rotor biến đổi và phụ thuộc vào vị trí tương đối
giữa trục từ pha a của rotor và trục từ pha a của stator, một số tham số khác có
dạng ma trận, ví dụ như điện cảm của cả hai cuộn stator và rotor.

b
ω
C

B

a

θ
A
c


Hình 2.1: Sơ đồ minh hoạ vị trí tương đối giữa stator và rotor trong động cơ
không đồng bộ 3 pha.
2.1.2 Hệ qui chiếu quay d-q:
Nếu như phương trình điện áp của cuộn stator và cuộn rotor được biến đổi
bằng cách dùng những ma trận biến đổi sau:

Trang 22


Chương 2

⎛ cosθ s
2⎜
A s = ⎜ − sin θ s
3⎜
⎝ 1/ 2

cos(θ s − 2π / 3)

− sin (θ s − 2π / 3)
1/ 2

cos(θ s + 2π / 3) ⎞
⎟
− sin (θ s + 2π / 3)⎟
⎟
1/ 2
⎠

(2.6a)


⎛ cosθ r
2⎜
A r = ⎜ − sin θ r
3⎜
⎝ 1/ 2

cos(θ r − 2π / 3) cos(θ r + 2π / 3) ⎞
⎟
− sin (θ r − 2π / 3) − sin (θ r + 2π / 3)⎟
⎟
1/ 2
1/ 2
⎠

(2.6b)

Ta thu được những phương trình động của máy điện không đồng bộ trong
một hệ qui chiếu chung với góc lệch giữa trục d (tương đương như trục x của hệ
qui chiếu) và trục từ pha a của stator là θ r . Trục q còn lại của hệ qui chiếu và
vuông góc với trục d (tương đương như trục y). Như đã được minh hoạ trong 2
phương trình (2.6a) và (2.6b), các yếu tố của ma trận biến đổi cuộn stator A r là
các đại lượng hàm sin của góc θ r , và các phần tử của ma trận biến đổi của cuộn
rotor A r là các đại lượng hàm cos của θ r . Sự biến đổi từ hệ phương trình động
với các biến số là các đại lượng 3 pha và các tham số biến đổi theo thời gian
thành một hệ phương trình động mới với các biến số là các đại lượng thuộc trục dq trong một hệ qui chiếu quay và các tam số không đổi theo thời gian có thể được
xem như biến đổi máy điện từ 3 pha thực sang 2 pha ảo (d-q) cả hai cuộn stator
và rotor. Hệ phương trình động mới được trình bày như sau (các đại lượng đi với
ký tự s thuộc stator và các đại lượng đi với ký tự r thuộc rotor).
dψ ds

− ω aψ qs
dt
dψ qs
+
− ω aψ ds
dt
dψ os
+
dt
dψ dr
+
− (ω a − ω )ψ qr
dt
dψ qr
+
− (ω a − ω )ψ dr
dt
dψ or
+
dt

v ds = Rs ids +
v qs = Rs iqs
vos = Rs ios
v dr = Rr idr
v qr = Rr iqr
vor = Rr ior

(2.7)


(2.8)

Trong các trục d-q-o, từ thông trong cuộn stator và rotor được tính như sau:

Trang 23


Chương 2

ψ ds = Ls ids + Lm idr
ψ qs = Ls iqs + Lm iqr

(2.9)

ψ os = Ls ios
ψ dr = Lr idr + Lm ids
ψ qr = Lr iqr + Lm iqr

(2.10)

ψ or = Ls ior

Các đại lượng điện cảm trong phương trình (2.9) và (2.10) được tính nhö sau:
Ls = Laa − Lab = Lγs + Lm
Lm = (3 / 2 )LaA

Lr = L AA − L AB = Lγr + Lm

Los = Laa + 2 Lab


(2.11)

Lor = L AA + 2 L AB

Hình 2.2 minh hoạ vị trí tương đối giữa các trục của hệ qui chiếu d-q-o và
các trục từ trong các pha a-b-c của động cơ không đồng bộ. Mối tương quan giữa
các đại lượng trong 3 pha với các đại lượng trong các trục d-q-o được trình bày
dưới đây (các đại lượng đi kèm với “s” là thuộc stator, còn đi kèm với “r” là
thuộc rotror:
s
s
s
i dqo = A s i abc v dqo = A s v abc ψ dqo = A s ψ abc
(2.12)
r
r
i dqo = A r i ABC v dqo = A r v ABC
ψ rdqo = A r ψ ABC

q

d-axis

a

q

θ

ωa

qr

θs
dr

ωa

ω

d

ω

A-axis

θs

A
θr

θr

900 θ
rotor

ωa
d
q-axis

a-axis


stator

Hình 2.2: Minh hoạ của sự biến đổi từ hệ qui chiếu 3 pha sang hệ qui chiếu d-q.
Vị trí góc tức thời của rotor so với hệ qui chiếu quay d-q-o được tính dựa
trên vị trí tức thời của hệ qui chiếu quay và rotor so với trục từ cố định của pha a
như sau:

Trang 24


Chương 2

θr = θ s −θ ;

t

t

θ = θ (0 ) + ∫ ωdt ;

θ s = θ s (0 ) + ∫ ω a dt

0

(2.13)

0

Phương trình cân bằng cơ học của động cơ không đồng bộ vẫn không đổi khi

chuyển từ hệ qui chiếu 3 pha sang hệ qui chiếu quay d-q-o.
1 dω
Te − TL = J
(2.4)
P

sau:

dt

Moment lực có thể được tính từ các đại lượng trong hệ qui chiếu quay như
Te =

3
P (ψ ds iqs − ψ qs ids )
2

(2.14)

Vì 3 pha trong stator của máy điện không đồng bộ được nối hình sao cô lập,
tại bất kỳ thời điểm nào, tổng của dòng 3 pha luôn bằng zero. Do đó các đại
lượng trong trục o của hệ qui chiếu quay có thể được bỏ qua trong hệ phương
trình động của động cơ không đồng bộ (do luôn bằng không). Như đã đề cập ở
trên, sau khi đổi qua hệ qui chiếu quay d-q (trục o không cần phải đề cập tới), các
tham số trong hệ phương trình động không thay đổi theo thời gian và cũng không
còn ở dạng ma trận. Sau khi các tham số của trục o được loại bỏ, số lượng các
tham số chỉ còn 8. Nhưng điều quan trọng nhất là chỉ với hệ phương trình động
trong hệ qui chiếu quay, ta mới có thể đạt được điều khiển vector, hay nói một
cách khác là điều khiển độc lập từ thông và moment lực, bằng cách định hướng
quay của hệ qui chiếu theo hướng của từ thông của từ thông. Một điều đáng chú ý

là phương trình tính moment lực của động cơ trong hệ qui chiếu quay đã đơn giản
hơn nhiều, và trong hệ qui chiếu quay d-q thì hai trục d và q là vuông góc với
nhau, khác với hệ qui chiếu 3 pha có 3 trục a-b-c không vuông góc với nhau.
2.1.3 Hệ qui chiếu α-β cố định:
Mô hình được trình bày trong các phương trình (2.7) đến (2.14) là mô hình
cũa động cơ không đồng bộ trong một hệ qui chiếu quay với vận tốc bất kỳ. Với
sự lựa chọn vận tốc quay khác nhau sẽ có những mô hònh khác nhau. Một số mô
hình của động cơ không đồng bộ trong một hệ qui chiếu quay tiêu biểu như: mô
hình trong hệ qui chiếu d-q cố định, mô hình trong hệ qui chiếu quay đồng bộ, mô
hình trong hệ qui chiếu quay gắn liền với vector từ thông rotor, vector từ thông
stator, hay vector từ thông khe hở không khí. Trong trường hợp là hệ qui chiếu
quay với vận tốc quay là zero (hay hệ qui chiếu d-q cố định) thì hệ qui chiếu
được gọi với một tên mới là hệ qui chiếu α − β . Mô hình của động cơ không đồng
bộ 3 pha trong hệ qui chiếu α − β như sau:

Trang 25